Номер 5, страница 98 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Вопросы и задания. Параграф 13. Скорость химической реакции. Катализ. Глава 4. Химические реакции - номер 5, страница 98.

Условие.

5. Почему при производстве серной кислоты печной газ, получаемый после обжига серного колчедана, надо тщательно очищать от примесей, особенно от соединений мышьяка?

Решение.

Решение 2.

Производство серной кислоты контактным методом включает несколько ключевых стадий. Одной из них является получение сернистого газа ($SO_2$) путем обжига серного колчедана (пирита, $FeS_2$). Уравнение этой реакции: $4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2$

Полученный печной газ, содержащий $SO_2$, затем направляется на следующую, самую важную стадию – каталитическое окисление $SO_2$ в серный ангидрид ($SO_3$) в контактном аппарате. Эта реакция является обратимой и экзотермической: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3 + Q$

Для ускорения этой реакции и достижения высокого выхода продукта используют катализатор, чаще всего оксид ванадия(V) ($V_2O_5$), нанесенный на пористый носитель. Эффективность и срок службы этого катализатора являются решающими факторами для всей технологии производства.

Проблема заключается в том, что природный пирит ($FeS_2$) практически всегда содержит различные примеси. Наиболее вредными из них являются соединения мышьяка (например, арсенопирит $FeAsS$), а также селена и теллура. При высокотемпературном обжиге колчедана эти примеси также окисляются и в виде летучих оксидов (например, оксида мышьяка(III) $As_2O_3$) попадают в печной газ вместе с целевым продуктом $SO_2$.

Эти примеси, особенно соединения мышьяка, являются каталитическими ядами. Они прочно и, как правило, необратимо связываются с активными центрами катализатора, блокируя их и делая неспособными участвовать в реакции окисления $SO_2$. Этот процесс называется "отравлением" катализатора. Даже очень малые концентрации мышьяка в газовой смеси способны быстро дезактивировать катализатор.

Последствия отравления катализатора очень серьезны для производства:

• Резко снижается степень превращения $SO_2$ в $SO_3$, что ведет к падению выхода конечного продукта – серной кислоты.
• Снижается общая производительность установки.
• Возникает необходимость в частой и дорогостоящей замене отработанного катализатора.
• Непрореагировавший токсичный $SO_2$ выбрасывается в атмосферу, загрязняя окружающую среду.

Таким образом, для обеспечения стабильной и экономически эффективной работы производства, печной газ перед поступлением в контактный аппарат подвергают сложной и многоступенчатой системе очистки. Эта система удаляет не только механические примеси (пыль) с помощью циклонов и электрофильтров, но и химические примеси (каталитические яды). Тщательная очистка газа – это залог долгой службы катализатора и высокой рентабельности всего производства.

Ответ: Печной газ, получаемый после обжига серного колчедана, необходимо тщательно очищать от примесей, особенно от соединений мышьяка, потому что эти вещества являются сильными каталитическими ядами. Они необратимо "отравляют" (дезактивируют) катализатор (обычно $V_2O_5$), используемый на ключевой стадии окисления $SO_2$ в $SO_3$. Отравление катализатора приводит к резкому снижению выхода серной кислоты, экономическим убыткам из-за необходимости частой замены катализатора и увеличению вредных выбросов в атмосферу.